Мезоны - нестабильные элементарные частицы, принадлежащие к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов); в отличие от барионов мезоны не имеют барионного заряда и обладают нулевым или целочисленным спином (являются бозонами). Название "мезон" связано с тем, что массы первых открытых мезонов – пи-мезона, К-мезона – имеют значения, промежуточные между массами протона и электрона. (Мюоны, первоначально названные мю-мезонами, не относятся к мезонам, так как имеют спин 1/2 и не участвуют в сильных взаимодействиях.) В дальнейшем было открыто много других мезонов с очень малыми временами жизни (так называемые резонансы), причём масса некоторых из них превышает массу протона. Мезоны являются переносчиками ядерных сил. Особенно интенсивно мезоны рождаются при столкновениях адронов высокой энергии.

Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положительным или отрицательным элементарным электрическим зарядом), с нулевой (например, пи-мезон) и ненулевой (например, К-мезон). Мезон с изотопическим спином 0, 1/2, 1 образуют соответственно изотопические синглеты, дублеты и триплеты. По современной классификации элементарных частиц, мезоны с близкими свойствами (по отношению к процессам, вызванным сильным взаимодействием) объединяются в группы ("супермультиплеты"), состоящие из 8, 9 и 10 частиц.

Время жизни мезона является одной из важнейших характеристик для объяснения многих явлений, происходящих в ядрах. До недавнего времени был известен лишь один сорт мезонов с массой ~203 m_e (где m_e – масса электрона) и временем жизни ~ 10⁶ сек. Однако, невидимому, эти обычные мезоны не ответственны за ядерные явления, так как, во-первых, они слабо реагируют с ядром а, во-вторых, их время жизни примерно в 100 раз меньше, чем это следует из теории β-распада. Опыты Алиханова и Алиханяна с сотрудниками показали, что спектр мезонов включает в себя мезоны с массой от 100m_e до 25000m_e. В 1948 году мезоны с массой, приблизительно равной 300m_e, были искусственно получены на берклеевском фазотроне. Предполагают, что π-мезоны распадаются в обычные мезоны (μ-мезоны с массой ~200m_e), как это следует из опытов Поуэлла. Мезоны разных знаков, образованные в графитовой мишени (толщиной 1,5 мм), помещённой на радиусе 1,9 м (радиус магнита 2,1 м). В камере фазотрона закручивались магнитным полем в разные стороны. Непосредственно за мишенью были помещены два отрезка винтообразного канала; шаг винта равнялся 2,54 см, внутренний диаметр – 11,4 см, наружный диаметр – 15,2 см. Направление каналов соответствовало движению отрицательных мезонов, горизонтальный угол которых соответствовал первоначальному направлению движения α-частиц. Один отрезок винтообразного канала составлял всего 180 см и поднимался вверх на 1,27 см. Другой отрезок был в 1,5 раза длиннее – спираль винта поворачивалась на 540 градусов и опускалась вниз на 3,81 см . Если бы мезоны не распадались, то в однородном магнитном поле из более длинного канала выходило бы в три раза меньше частиц, чем из более короткого. Действительно, очевидно, что под одинаковыми углами вверх и вниз выходит одинаковое число мезонов и, следовательно, всё определяется углами, которые вырезают в пучке мезонов оба канала. Благоприятным фактором является горизонтальное фокусирующее действие однородного магнитного поля, состоящее в том, что вне зависимости от начальной скорости при повороте на 360 градусов проекция траектории частицы на горизонтальную плоскость проходит через точку вылета мезона из мишени. Поэтому, в частности, при прохождении мезонов через канал, основную роль играет вертикальный угол, и отношение частиц, прошедших короткий и длинный канал, должно равняться 3, а не 9, как может показаться с первого взгляда.

Уменьшение магнитного поля к краю магнита несколько нарушит эту картину, но, как показали расчёт и эксперимент, это влияние невелико. Проверка осуществлялась следующим образом. Вместо мишени помещался плутониевый источник α-частиц (1,2x0,3 см), высота которого соответствовала высоте мишени, а ширина – той части мишени, в которую попадали ускоренные α-частицы. Число α-частиц определялось по трекам в фотопластинках, стоящих под углом 48 градусов в конце каждого канала. Вместо отношения 3, соответствующего идеальному случаю, экспериментально было получено соотношение 3,2 (с поправкой на различные условия эксперимента для мезонов и α-частиц). Полученная поправка несущественно изменит полученное значение времени жизни мезонов.

Дальнейшая часть экспериментальной работы состояла в измерении числа мезонов, выходящих из короткого (180 градусов) и длинного (540 градусов) каналов.

Для этого в конце каждого канала помещалось 6 фотопластинок. Пластинки одновременно проявлялись, и считались числа треков мезонов, создавших «звёзды» в пластинках, находившихся во время бомбардировки у короткого и длинного каналов. Было обнаружено 48 мезонов, создающих звёзды и выходящих из длинного канала. Если бы мезоны не распадались, то на основании измерений числа мезонов, выходящих из короткого канала, можно было бы заключить, что из длинного канала должно выходить 92 мезона. Следовательно, 44 мезона распались за время одного оборота мезона в магнитном поле. Масса мезона равна 286m_e (это число не согласуется с предварительными данными) и вычисляет время оборота мезона, равное 7,2∙10^-9 сек. Отсюда легко получить время жизни мезона 7,2∙10-9 ln (92/48). Всего было промерено 256 пластинок. Общее число мезонов, создающих звёзды в данном эксперименте, равнялось 302.

Наиболее простым методом определения времени жизни тяжёлых мезонов является определение числа распавшихся мезонов на определённом отрезке пути. Для этой цели употребляют устройства, аналогичные изображённому на рисунке.

В описываемой установке фотопластинки располагаются вертикально в ящике из тонкого железа (толщиной 0,5 мм) и находятся на расстоянии 2 м от пола и на 60 см ниже потолка из лёгкого материала. Со всех боковых сторон они окружаются свинцом, толщиной 5 см. На пластинках регистрируются следы различных типов мезонов, остановившихся в эмульсии.

Изучается число-мезонов различных типов и их угловое распределение при окружении установки свинцом и без него. В описываемой установке применялись пластинки Ильфорд С-2 (содержащие бор).

Согласно модели Юкавы, механизм ядерного взаимодействия заключается в обмене виртуальным мезоном между нуклонами. За время ядерного взаимодействия Δt вблизи нуклона образуется виртуальный мезон с массой m. Используя соотношение неопределенности

Δt·ΔE > ћ, (1)

можно оценить величину массы виртуального мезона

m = ΔE/c² = ћ/c²Δt. (2)

За время взаимодействия виртуальный мезон отойдет от нуклона на расстояние

a = cΔt = cћ/ΔE= ћ/mc.   (3)

a - радиус ядерного взаимодействия.

Время ядерного взаимодействия Δt и массу мезона m можно оценить, используя (3) и (2) - Δt = a/c = 1.4·10^-13/3·10¹⁰ ~ 0.5·10^-23 c, mc² = /Δt = 6.6·10^-22/0.5·10^-23 ~ 130 МэВ.

Экспериментально измеренные массы пи-мезонов близки к этой оценке.

Потенциал ядерного взаимодействия при r > 1 Фм (потенциал Юкавы) имеет вид

V(r) = -(g_яд/r)exp(-rmc/ћ),   (4)

где g_яд - константа ядерного взаимодействия (аналог элементарного заряда e в электромагнитном взаимодействии). Константа ядерного взаимодействия (константа связи)

g_яд²/c ~ 10.

За взаимодействие между нуклонами на малых расстояниях ответствены также и более тяжелые мезоны eta(549 МэВ) (a ~ 0.36 Фм), ro(770 МэВ) и omega(782 МэВ) (a ~ 0.25 Фм); ro и omega мезоны определяют отталкивающий характер нуклон-нуклонного потенциала на малых расстояниях (r < 0.3 Фм).

На кварковом уровне описание p-n взаимодействия с обменом пи-мезоном показано на рисунке ниже.